Nella ricerca sulla materia quantistica, un team australiano ha sviluppato il più grande simulatore quantistico mai realizzato per lo studio di materiali esotici, aprendo prospettive senza precedenti nella comprensione dei superconduttori e di altri sistemi dove gli effetti quantistici determinano proprietà macroscopiche straordinarie. Il dispositivo, denominato Quantum Twins, si distingue non solo per le dimensioni ma per la capacità di controllare con precisione atomica le interazioni elettroniche che caratterizzano materiali ancora avvolti nel mistero scientifico. La sfida che questo strumento si propone di affrontare è tra le più ambiziose della fisica contemporanea: comprendere fenomeni quantistici complessi che i computer tradizionali non riescono a simulare efficacemente, aprendo la strada alla progettazione razionale di materiali con proprietà su misura.
La tecnologia sviluppata da Michelle Simmons e dal suo gruppo presso Silicon Quantum Computing si basa sull'incorporazione di atomi di fosforo in chip di silicio, dove ogni singolo atomo costituisce un qubit, l'unità fondamentale dell'informazione quantistica. La vera innovazione risiede nella scala del sistema: ciascuna versione di Quantum Twins integra una griglia quadrata di 15.000 qubit, superando ampiamente qualsiasi simulatore quantistico precedente dedicato allo studio dei materiali. Per fare un confronto, precedenti array di qubit erano stati costruiti utilizzando migliaia di atomi ultra-raffreddati, ma con dimensioni inferiori e minore controllabilità.
La disposizione atomica precisa dei qubit nel silicio permette di emulare la struttura cristallina di materiali reali, mentre componenti elettronici integrati in ogni chip consentono di manipolare le proprietà degli elettroni nel sistema. Questa capacità di controllo è fondamentale: i ricercatori possono regolare parametri come la difficoltà di aggiungere un elettrone in un punto specifico della griglia o la probabilità che un elettrone "salti" tra due posizioni adiacenti. Questi parametri microscopici determinano proprietà macroscopiche cruciali, come la conduttività elettrica o il comportamento sotto campi magnetici.
Le prime validazioni sperimentali hanno dimostrato la versatilità del sistema. Il team ha simulato la transizione tra comportamento metallico e isolante in un celebre modello matematico che descrive come le impurità in un materiale influenzino il trasporto di corrente elettrica. Inoltre, hanno misurato il coefficiente di Hall in funzione della temperatura, un parametro che caratterizza la risposta del materiale ai campi magnetici e fornisce informazioni fondamentali sulla dinamica degli elettroni.
La vera frontiera che Quantum Twins si prepara ad affrontare riguarda i superconduttori non convenzionali, materiali che conducono elettricità senza resistenza ma il cui funzionamento a livello microscopico resta largamente enigmatico. Mentre i superconduttori convenzionali sono relativamente ben compresi teoricamente, richiedono temperature prossime allo zero assoluto o pressioni estreme per manifestare le loro proprietà, limitazioni che ne impediscono applicazioni pratiche su larga scala. Esistono però superconduttori che operano in condizioni meno estreme, e la comprensione dettagliata dei meccanismi quantistici alla base del loro funzionamento potrebbe aprire la strada allo sviluppo di materiali superconduttori che operino a temperatura ambiente e pressione atmosferica, una rivoluzione tecnologica di portata immensa.
Il vantaggio cruciale dei simulatori quantistici rispetto ai computer classici emerge proprio nello studio di sistemi bidimensionali su larga scala e di specifiche combinazioni di proprietà elettroniche. I fenomeni quantistici che governano superconduttori e altri materiali esotici derivano da correlazioni complesse tra innumerevoli elettroni, correlazioni che possono essere implementate direttamente in un sistema quantistico come Quantum Twins, mentre richiederebbero passaggi di traduzione matematica complicati e spesso approssimativi su dispositivi convenzionali. Questa corrispondenza diretta tra il sistema simulato e il simulatore quantistico costituisce il cuore dell'utilità di questi dispositivi.
Le prospettive applicative si estendono oltre i superconduttori. Simmons indica che Quantum Twins potrebbe essere impiegato per studiare interfacce tra metalli diversi e molecole simili al poliacetilene, sistemi rilevanti per lo sviluppo farmaceutico e per dispositivi di fotosintesi artificiale. Quest'ultima applicazione è particolarmente significativa nel contesto della transizione energetica: la capacità di convertire energia solare in energia chimica con l'efficienza dei sistemi biologici naturali, ma attraverso dispositivi ingegnerizzati e ottimizzati, rappresenta uno degli obiettivi più ambiziosi della ricerca contemporanea.
